XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2014
DISPOSITIVO COM BIOFEEDBACK PARA CONTROLE DE CARGA EM
EXERCÍCIOS COM RESISTÊNCIA ELÁSTICA
Tomé F.B.*, Teles F.S.**, Rocha-Júnior V.A.**, Moura I.L.B.*, Amvame G.D. *, Andrade M.M.*
*
Departamento de Pós Graduação em Engenharia Biomédica/Universidade de Brasília, Brasília,
Brasil
**
Departamento de Pós Graduação em Educação Física/Universidade de Brasília, Brasília, Brasil
e-mail: [email protected]
Resumo: Este trabalho tem como objetivo analisar o
efeito do biofeedback no controle do movimento em
exercício dinâmico e fadigante com resistência elástica.
Um equipamento de controle foi projetado e
desenvolvido no Laboratório de Processamento de
Sinais Biológicos da Faculdade de Educação Física da
Universidade de Brasília e tem registro de patente junto
ao Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI).
Foram adquiridos sinais de eletromiografia de
superficie, força e um sinal de sincronização (trigger)
de seis sujeitos do sexo masculino que relizaram o
movimento de flexão de cotovelo. Os sinais foram
extraídos pela plataforma Labview® e em seguida
processados por um algoritmo desenvolvido na
ferramenta computacional Matlab (2009b). Para
verificar a similaridade dos sinais obtidos em cada
repetição executada, foram calculados o Índice de
Correlação Cruzada (ICC) e a Frequência de Potência
Mediana (FPMd) de cada ciclo de movimento. A partir
dos valores de FPMd de cada repetição também foi
delineada uma regressão linear para verificar o
comportamento da fadiga muscular. O efetivo controle
da atividade exercida pôde ser observado pelos valores
do ICC. As retas de regressão linear traçadas a partir da
FPMd indicaram a presença da fadiga muscular e
apresentaram decréscimo em cinco dos seis sujeitos. Os
dados mostraram que a utilização do biofeedback com
o implemento de resistência elástica permitiu a
manutenção do padrão de movimento ao longo de toda
série de exercício resistido mesmo com indicativo de
fadiga muscular.
Palavras-chave: Exercício físico, resistência elástica,
controle de movimento, biofeedback, fadiga muscular.
algorithm, using the Matlab computational tool
(2009b). The results herein presented allowed the
calculation of the Cross-Correlation Coefficient
between subjects, the Median Frequency of the EMG
valid cycles signal and the Linear Regression curve.
The effective control of the activity exercised by the
subjects can be observed by the cross-correlation index
values. The linear regression lines drawn from the
Median Frequency indicate the presence of muscle
fatigue and indicated decrease in five of the six subjects.
The data showed that the use of biofeedback with the
implementation of an elastic resistance has allowed the
continuation of a natural movement pattern during the
proposed series even with indication of muscle fatigue.
Keywords: Physical exercise, elastic resistance, motion
control, biofeedback, muscle fatigue.
Introdução
O treinamento resistido utiliza equipamentos e técnicas as quais possibilitam o controle de variáveis do
treinamento e otimizam os ganhos de força. Dentre as
variáveis, o nível de intensidade do exercício está associado com o controle de carga, considerado o principal
estímulo relacionado às alterações nas mensurações de
força e resistência muscular localizada [1, 2]. A manutenção da técnica de execução de exercícios também é
um fator importante para o treinamento. Durante uma
tarefa fatigante, modificações no padrão de movimento
ocorrem como forma de compensar os fenômenos fisiológicos provocados pela fadiga muscular.
Atualmente, o controle de carga para resistências variáveis, em especial elásticas, é incipiente e muitas vezes feito de forma subjetiva por meio de uma escala de
percepção de esforço [3]. Mecanismos de controle mais
precisos são necessários para implementos resistência
variável.
A junção de ferramentas que forneçam biofeedback,
em conjunto com um sistema eletrônico embarcado
acoplado a uma célula de carga mostra-se uma alternativa interessante para a obtenção de um controle mais
objetivo em exercícios com resistência elástica. Seja
visual ou sonoro, o biofeedback possibilita a manutenção do padrão de movimento e, consequentemente permite a análise de variáveis como velocidade de execução, volume de treinamento e intensidade [4].
Abstract: This paper aims to analyze the effect of
biofeedback in the motion control of a dynamic and
wearisome exercise with elastic resistance. The
equipment for load intensity control was designed at the
Biological Signal Processing Lab of the Faculty of
Physical Education at the University of Brasilia. The
equipment has a patent register at the Instituto Nacional
da Propriedade Industrial (INPI). A surface
electromyography signal, strength and trigger of six
male subjects, doing the elbow movement flexion, has
been acquired. The signals were extracted by the
Labview® platform and then processed by a specific
1
2747
XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2014
Neste contexto, o presente trabalho tem como
objetivo analisar o efeito do biofeedback, visual e
sonoro, no controle de movimento em exercício
dinâmico e fadigante com uso de implemento elástico. A
eletromiografia de supercície (EMG-S) foi adotada para
a avaliação da fadiga muscular localizada e, juntamente
com um trigger, para verificar se o padrão de
movimento é mantido com o biofeedback mesmo em
situações fatigantes.
para o músculo bíceps braquial. O eletrodo de referência
foi posicionado no punho do mesmo braço em teste. O
sinal foi adquirido por um eletromiógrafo Delsys,
modelo Bagnoli-2 (Boston, Estados Unidos). O sistema
de captação de EMG-S possui configuração bipolar e
apresenta uma pré-amplificação de 10 V/V e filtro
passa-faixa de 20Hz a 450Hz (4a ordem). O ganho total
do sinal foi de 1000 V/V. A distância entre os contatos
elétricos do eletrodo é de 1cm, sendo estes
confeccionados em prata clorada (Ag-AgCl).
Juntamente com os sinais de força e EMG-S foi
adquirido um último sinal de marcação binária (MB)
que funcionou como trigger para delimitar a faixa de
intensidade estabelecida. Todo o processamento dos
sinais foram realizados com base na faixa do sinal de
MB. A plataforma Labview® foi adotada na aquisição
dos supracitados sinais.
O protocolo experimental foi realizado no
Laboratório de Processamento de Sinais Biológicos da
Faculdade de Educação Física da Universidade de
Brasília (FEF/UnB) contemplando o músculo bíceps
braquial direito. Uma das extremidades do implemento
elástico foi acoplada a um suporte de mão e a outra à
célula de carga que, por sua vez, foi fixada próximo ao
solo. O dispositivo de biofeedback e controle de carga,
foi posicionado na frente do sujeito. Para garantir a
indução da fadiga muscular, a contração foi executada
em uma amplitude reduzida, mantendo o músculo sob
tensão constante em duas intensidades, 4kg e 6kg.
Assim, não houve um momento de relaxamento total do
músculo.
O protocolo consistiu em executar o máximo de
contrações isométricas até a exaustão completa ou até o
tempo máximo de 200 segundos. O dispositivo de
controle de carga foi programado para a faixa de carga
de 4 a 6 quilos. Com o implemento elástico (Elastos®) e
o uso do biofeedback, cada ciclo de contração foi
executado durante cinco segundos em cada amplitude,
uma a 90 graus do cotovelo, ajustada para 4kg e outra
com o punho próximo ao ombro, ajustada para 6kg. Os
sujeitos deveriam fazer a transição de uma amplitude
para outra durante um segundo. A velocidade de
execução e permanência foi controlada através de um
metrônomo (Seiko®) ajustado para 60 bpm [7]. Para
medir a angulação inicial e final do cotovelo foi usado
um goniômetro (TTK, modelo 1216).
Inicialmente, foi calculado o espectro de frequência
pelo algoritmo de Transformada de Fourier a fim de
detectar a presença de ruídos de 60 Hz. Foi calculada a
Frequência de Potência Mediana (FPMd) para observar
o deslocamento da energia do sinal eletromiográfico,
para representar uma assinatura espectral típica de
fadiga muscular localizada [5, 6]. O valor da FPMd do
S-EMG foi calculado para cada bulha de contração.
Retas de regressão linear foram traçadas para indicar o
comportamento de acréscimo ou decréscimo da variável
FPMd. Todos os dados foram processados em rotinas
específicas desenvolvidas em Matlab (2009b).
Foram calculados os coeficientes de correlação
cruzada dos sinais de força intra-repetições de cada
Materiais e métodos
Participaram do estudo seis indivíduos do sexo masculino, sem problemas de saúde e com idade média
30±7 anos. Todos foram advertidos sobre os riscos do
procedimento experimental e participaram em livre
consentimento. O estudo foi submetido e aprovado pelo
Comitê de Ética e Pesquisa da Faculdade de Ciências da
Saúde/UnB cujo CAAE é 16303013.0.0000.0030.
O sistema eletrônico utilizado para monitorar e
controlar a execução dos exercícios é denominado
Sistema de Biofeedback para a Prática de Exercícios
Resistidos com Sobrecarga Elástica. Esse equipamento,
possui registro de patente junto ao Instituto Nacional da
Propriedade
Industrial
(INPI),
com
número
BR1020140072322. Esse sistema eletrônico é conectado
a uma célula de carga, responsável por fornecer um
sinal elétrico proporcional à força que promove a
deformação do implemento elástico. Por meio de um
conversor analógico-digital, é feita a aquisição do sinal.
Através dos botões seletores do equipamento, é possivel
ajustar sua configuração para escolha de uma faixa de
intensidade, ou seja, um valor mínimo em que deve ser
iniciado o exercício e um valor máximo a ser atingido
durante a sua execução. Caso o usuário atinja um valor
fora dos limites desta faixa, o sistema emite,
simultaneamente, um sinal sonoro e visual,
correspondente a um bipe contínuo e um led de cor
vermelha, respectivamente. Assim, o usuário, após o
biofeedback, tem a possibilidade de corrigir a amplitude
de execução e seu padrão de movimento. É importante
salientar que além da configuração aplicada no presente
trabalho, o equipamento possui outras configurações
voltadas à atividade física com resistência elástica,
como por exemplo, atividades isométricas e de potência.
A célula de carga utilizada foi a AEPH do Brasil Indústria e Comércio Ltda., modelo TS, 50kg ±10%, previamente calibrada. Os elásticos aplicados foram do
fabricante Elastos®, onde já existe um valor quantificado em quilogramas força (kgf) para diferentes cores de
elásticos [3]. No protocolo, todos os sujeitos foram
submetidos às cargas com valores compreendidos entre
4 e 6 kg, identificadas como fatigantes [5]. O experimento não busca comparar a performance motora relativa entre sujeitos, logo não foi realizado a normalização
da carga de forma proporcional a essas capacidades.
A aquisição do sinal EMG-S iniciou com a
preparação prévia da pele por abrasão e tricotomia do
braço direito dos sujeitos. Em seguida, os eletrodos
foram fixados conforme as recomendações do SENIAM
2
2748
XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2014
sujeito. Essa abordagem busca informar a similaridade
entre esses sinais de força e verificar a relação entre
sujeitos quanto a essa característica.
Resultados
A Figura 1 apresenta o comportamento típico de um
indivíduo durante o teste. Na primeira plotagem tem-se
representada a curva de força juntamente com o sinal do
trigger. Para cada ciclo de contração de cinco segundos,
o intervalo considerado foi maior ou igual a 80% do
maior ciclo de trigger. Assim, percebe-se que a oitava e
nona contração não foram consideradas pelo algoritmo.
Na segunda plotagem encontram-se os sinais da EMG-S
juntamente com o trigger para cada bulha de contração
durante o protocolo de teste.
Figura 3: Inclinação da curva de regressão processada
pelas frequências de potência mediana dos ciclos
válidos.
Os resultados apresentados na Tabela 1 representam
a quantidade de ciclos válidos e o índice médio de
correlação cruzada entre todos os sinais de forca de cada
sujeito no intuito de revelar a similaridade dessas
informações.
Tabela 1: Valores dos índices de correlação cruzada a
partir dos ciclos válidos para cada sujeito.
Sujeitos
1
2
3
4
5
6
Sinais
válidos
18/18
11/16
16/16
16/16
11/13
16/16
Índice de Correlação
Cruzada (ICC)
0,709 ± 0,151
0,710 ± 0,138
0,655 ± 0,168
0,732 ± 0,150
0,655 ± 0,172
0,816 ± 0,145
A Tabela 2 apresenta os valores da inclinação das
retas de regressão calculados para cada valor de FPMd
em cada ciclo de movimento.
Figura 1: Sinais adquiridos durante a execução do
protocolo experimental. Gráfico superior, sinal de força
e trigger ou MB, com a identificação (cinza) dos ciclos
não válidos. Gráfico inferior, sinal EMG-S normalizado
e trigger ou MB, com a identificação (cinza) dos ciclos
não válido.
Tabela 2: Valores das inclinações das retas de regressão
linear da frequência de potência mediana (FPMd).
Através do algoritmo de cálculo da FPMd para cada
ciclo de contração válido, foi traçada uma reta de
regressão linear com o intuito de analisar a inclinação
da reta formada e o padrão de acréscimo e decréscimo
das variáveis eletromiográficas. Esses dados são
mostrados na Figura 3.
Sujeitos
Curva de Regressão Linear
1
2
3
4
5
6
-2,013
-0,814
-1,558
0,604
-1,150
-1,520
Discussão
O biofeedback no exercício com resistência elástica
mostrou-se uma eficiente ferramenta para controle do
padrão motor durante uma atividade física de caráter
fatigante. Os valores dos índices de correlação cruzada
na Tabela 1 indicam a similaridade em cada uma das
contrações isométricas mesmo quando evidenciada a
fadiga muscular. Isso demonstra a existência de um
controle da intensidade e, garante que o exercício físico
3
2749
XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2014
(1970). Muscular Fatigue and Action Potential
Conduction Velocity changes Studied With
Frequency
Analysis
of
EMG
Signal.
Electromyography 4:341-356.
[6] DeLuca CJ. The use of surface electromyography in
biomechanics. J Applied Biomechanics.1997, 13:
135-163.
[7] Melchiorri, G; Rainoldi, A. Muscle fatigue induced
by two different resistances: Elastic tubing versus
weight machines. Journal of Electromyography and
Kinesiology, 2011; 21(6): 954-959.
proposto está sendo executado de acordo com o que foi
ordenado.
Com o auxílio do metrônomo, obteve-se o controle
do intervalo de ciclos, determinados em cinco segundos,
cada. Desta forma, houve uma quantidade satisfatória de
sinais válidos para cada sujeito.
A partir dos valores calculados pelas retas de
regressão linear adquiridas pela FPMd, há um
decréscimo em cinco dos seis sujeitos. Esse fato
corrobora com estudos de fadiga muscular analisado
através da eletromiografia de superfície, onde o
recrutamento de novas unidades motoras e a redução da
velocidade de condução caracteriza uma assinatura
espectral com um aumento das baixas frequências
comparada às altas em contrações isométricas [5, 6].
Para estudos futuros, sugere-se a análise do controle de
intensidade do exercício com resistência elástica
aplicada a outros músculos por meio do biofeedback.
Conclusão
Mesmo em estado de fadiga, a utilização do
biofeedback com o implemento de resistência elástica
permitiu a manutenção do padrão de movimento ao
longo de toda série de exercício resistido. Isso
demonstra sua eficiência quanto o controle da
intensidade durante uma atividade fatigante.
A FPMd pode ser utilizada como variável de
identificação de fadiga muscular localizada, durante
exercícios submáximos realizados com implementos
elásticos.
Agradecimentos
Deixamos expressos nossos sinceros agradecimentos
aos participantes do presente trabalho, aos voluntários
que contribuíram para as coletas de dados e aos
departamentos de Pós Graduação em Engenharia
Biomédica/UnB e em Educação Física/UnB.
Referências
[1] Tan, B. Manipulating resistance training program
variables to optimize maximum strength in men: a
review. Journal of Strength and Conditioning
Research. 1999, 13(3), 289-304.
[2] Fleck SJ, Kraemer WJ. Fundamentos do
Treinamento de Força Muscular. Tradução Jerri Luiz
Ribeiro, 3 edição, Porto Alegre: Artmed, 2006, 376p.
[3] Martins WR OR, Carvalho RS, Damasceno V,
Santos M. Elastic resistance training to Increase
Muscle Strength in Elderly: A systematic review
with meta-analysis. Archives of Gerontology and
Geriatrics 57 (2013) 8–15.
[4] Moras G, Rodríguez-Jiménez S, Busquets A, TousFajardo J, Pozzo M, Mujika I. A metronome for
controlling the mean velocity during the bench press
exercise. Journal of strength and conditioning
research. 2009, 23(3), 926-931.
[5] Lindstrom, L., Magnusson, R., and Petersen, I.
4
2750